裝配式建筑PC構件工廠混凝土輸送系統的設計與應用*

陳佛生，區兆琪，肖鴻韜

（1.廣東省建筑機械廠有限公司，廣州 510500；2.廣東江海機電工程有限公司，廣州 510500）

0 引言

推廣裝配式建筑是促進建筑業轉型升級的有效手段，通過工業化推動建筑業由傳統建造模式向智能建造、智能制造模式轉變[1-4]。裝配式建筑借助工廠化生產、現場裝配，可以縮短建造周期，減少建筑垃圾的排放和促進資源、能源節約。在政府的引導和政策的推動下，近幾年的裝配式建筑年均增長率超過40%。但是，由于我國對裝配建筑混凝土預制構件（簡稱為PC構件）生產設備研究的起步較晚，國外生產線是基于所在國的建筑體系而研發的，我國的PC構件生產工廠的各個系統還存在適用性、可靠性和方便性差的問題。

PC構件工廠的混凝土輸送系統是從攪拌站接料，并將料運輸至各用料點的設備及其控制系統。作為工業化生產方式，其混凝土輸送應為有軌運輸，以確保運輸安全可靠和作業的流程化。

傳統的PC構件工廠的混凝土輸送系統局限于給自動化流水線定點供料，供料點數量有限，而且目前實現自動化生產的構件大多局限于墻板、疊合板等厚度不大的平板類構件，而大量的異型構件或超高超厚類構件還依賴于固定模臺生產線。固定模臺生產方式大多依賴叉車與起重機配合接料、運料，這種方式效率低，安全隱患大。已建成的PC構件工廠，不少混凝土輸送系統為自動化控制的單通道閉環系統，如圖1所示。單通道閉環系統為了避免運行過程中出現撞車現象，混凝土運輸車通常只能單向運行，只要其中的一個混凝土運輸車出現故障，整個混凝土輸送系統將處于癱瘓狀態，不利于工廠連續生產。并且大部分PC構件工廠，用料點只能通過對講機呼叫送料，由攪拌站操作人員操縱混凝土運輸車的運行，缺乏靈活性。

圖1 單通道閉環混凝土輸送系統

針對混凝土輸送系統存在的自動化程度低、穩定性差等問題，喬俊南等[5]對其控制技術進行了研究，但仍然局限于停位準確及自動控制系統構建等方面，未論述如何提高混凝土輸送系統適應不同布置等問題。

本文從輸送通道的模塊化設計[6-7]、混凝凝土運輸車的研制和多種控制系統的研究等方面來構建綜合性解決方案。基于模塊化設計，提出了將行走軌道梁設計成直線模塊和曲線模塊，并將其按接料路徑組合，可構建滿足不同場地布置的行走通道；基于構件生產的現狀，闡述了混凝土輸送車結構、控制要求及混凝土輸送系統的控制方法和原理。最后，介紹多模式多點控制的混凝土輸送系統在佛山某建筑科技有限公司的應用情況，驗證其可行性與有效性。

1 新型混凝土輸送系統組成

通過對混凝土輸送系統存在的問題分析，結合實際工程應用，開展了多模式多點控制的新型混凝土輸送系統的研制，以提高對用料布置的適應性、送料效率、生產的連續性、便利性、可靠性和生產的柔性化。多模式多點控制混凝土輸送系統[8]的研制主要包括機械及結構和控制系統兩個方面，由若干個行走通道、多個混凝土運輸車和控制系統組成，如圖2所示。

圖2 混凝土輸送系統

2 機械結構

2.1 行走通道

行走通道是混凝土輸送系統適應不同布置的關鍵裝置，主要包括立柱、混凝土運輸車行走軌道梁和安全滑線，行走軌道梁設計成直線模塊和一定角度的圓弧模塊。通過模塊化裝配，可組合成“O”型的閉環通道或“L”“C”“S”型的曲線開環通道。在設計混凝土輸送系統時，只要按接料點的布置對軌道梁進行組合，即可形成不同型式的行走通道。運輸通道上的安全滑線容量可以根據生產構件時混凝土運輸車同時運行的數量和電機容量來確定。

2.2 混凝土輸送車

混凝土輸送車是混凝土輸送系統的關鍵設備，主要由鋼結構支架、行走機構、料斗、翻轉機構和電氣控制系統等幾部分組成，如圖3所示。混凝土運輸車運行在行走通道上，在攪拌站下方接收攪拌好的混凝土，然后再將混凝土運送到布料機或其它用料設備上方，控制翻轉機構使料斗翻轉180°卸料，完成后回轉到原位，然后回到攪拌站下方繼續接料。

圖3 混凝土輸送車結構圖

混凝土輸送車的料斗容量應綜合預制構件的所需混凝土方量和生產工藝做最經濟的選擇，一般為2 m3左右，主要技術參數如表1所示。

表1 混凝土輸送車主要技術參數

翻轉機構主要由行星減速電機和傳動軸組成。減速電機直接驅動與料斗焊接成一體的傳動軸帶動料斗旋轉。為避免翻轉過程中因混凝土流動性導致漏料，需要在料斗外側設置擋板，并將翻轉操作設置成分段翻轉（對自動控制）或點動翻轉（對手動控制）。

行走機構主要包括行走減速電機、導向輪和行走輪等。根據行走通道形狀的不同，配置不同的行走機構，直線行走通道配置較為經濟的直線型行走機構，曲線行走通道配置具有糾偏功能模塊的曲線型行走機構。直線型行走機構較為簡單，曲線型行走機構要考慮在曲線軌道上行走時內外軌道上行走輪的不同步問題，除了要設置能自動適用速度差異的機械裝置外，在行走控制方面，還要根據行走機構驅動電機的布置，在電機或行走輪上設置編碼器，通過編碼器將內外側電機或行走輪轉速反饋給PLC，經PLC計算差異值，當差異值不符合轉彎穩定性要求時，需要對驅動電機加以控制以實現自動糾偏。

3 控制系統

混凝土輸送車控制系統是PC構件生產系統中較為關鍵的控制系統，與單一生產線或設備的獨立控制不同，其與構件生產線、攪拌站等生產線或設備系統均有相互控制關系，比如，只有混凝土輸送車停至布料機等用料點后，混凝土輸送車方可啟動翻轉機構進行卸料；只有混凝土輸送車停至接料點并將到位信息反饋給攪拌站，攪拌站接收到混凝土運輸車的到位信息后，方可打開卸料口進行卸料；攪拌站卸料完成并關閉倉門后，將信息反饋給混凝土運輸車，方可啟動行走機構，將混凝土運至指定位置。

3.1 控制原理

為了使各系統（設備）有效整合，需要將與混凝土運輸系統相關的系統（設備）納入中央控制系統整體控制，其控制原理如圖4所示。

圖4 系統工作原理

整個系統采用Modbs TCP/IP工業以太網總線控制[5]，混凝土運輸車、攪拌站、清洗裝置（設備）和布料機等用料設備將位置及狀態信息通過工業以太網傳輸到中央控制系統，并進行數據交換，通過無線通訊最終實現對混凝土運輸車的行走機構、翻轉機構實現順序、邏輯及作業控制。

3.2 自動化控制

自動化控制系統為PLC和觸摸屏組合控制系統[9-13]，該系統通過PLC與觸摸屏組合，可以根據各系統（設備）的數量及控制要求需要來擴展PLC的功能。同時利用觸摸屏良好的人機交互界面，可減少按鈕和開關的使用，通過操作可視化提高操作的靈活度，并能實現對多個混凝土運輸車實時監控，自動化控制原理如圖5所示。在自動化控制系統中，通過觸摸屏向PLC發送操作指令，PLC通過計算、邏輯運行及順序控制后，再將對應的指令發送給混凝土運輸車的執行機構，同時將混凝土運輸車的位置信息和執行情況經PLC數據轉換后反饋給觸摸屏，并在觸摸屏上顯示。在觸摸屏上還可以設定自動控制、遙控控制和現地控制3種不同控制方式的優先順序，實現不同控制方式的互鎖，避免同一時間內因不同操作者選擇不同的操作方式而產生安全隱患。

圖5 自動化控制原理

混凝土運輸車通過設置在行走機構上的編碼器、各停位點的感應器和PLC的計算來實現精確定位，停位后將相關信息反饋給攪拌站、清洗裝置等。

3.3 無線遙控

研發無線遙控控制系統是為了解決自動化控制系統和現地控制中停位有限的問題，通過遙控器操作，可實現任意點停位、卸料和返回等，可以提高安裝調試的便利性和生產的靈活性，特別是高效解決固定模臺生產線的多點用料問題。

無線遙控控制系統的控制原理如圖6所示，操作者利用無線遙控器發送出信號，接收器接收發來的指令，并對指令進行解析后，輸出對應的控制信號發送給混凝土運輸車的PLC控制箱，從而實現對混凝土運輸車的行走或翻轉操作。

圖6 無線遙控控制原理

3.4 現地遙控

研發現地控制系統是為了解決與攪拌站溝通的問題，在主要用料區間分區設置現地控制箱，可以實現現地與攪拌站遠距離通訊。大多數的PC構件生產工廠，用料點通常是通過對講機與攪拌站工作人員聯系，生產過程中噪聲大，利用對講機對話存在溝通環境不好的問題，給生產帶來不便。

現地控制系統控制原理如圖7所示，操作者從就近的現地控制箱發送相關指令和位置信息，通過無線通訊將指令和位置信息傳遞給混凝土運輸車的PLC控制箱，通過PLC數據交換和運行計算，將相關指令發送給混凝土運輸車的執行機構，以實現對混凝土運輸車的行走及翻轉等操作。

圖7 現地控制原理

3.5 位置及交互信號的設置

混凝土運輸系統與各系統（設備）的信息交互主要包括位置和停位后的信息反饋，對于自動化程度較高的混凝土輸送系統，一般包括以下幾個方面的信息交互。

（1）與攪拌站信息交互。主要包括混凝土運輸車停位準確后，允許攪拌站下料口開倉卸料；攪拌站下料口卸料完成并關倉后，混凝土運輸車允許離開，對應的信號提供如下。

攪拌站提供：卸料口卸料完畢信號，輸出開關信號，點數與攪拌站卸料口的數量相同。

混凝土輸送控制系統提供：卸料口卸料允許信號，輸出開關信號，點數與攪拌站卸料口的數量相同。

（2）與清洗裝置（設備）信息交互。主要包括混凝土運輸車停位準確后，啟動混凝土運輸車的清洗系統（有些工廠還包括啟動砂石分離系統），清洗完成后，關閉清洗系統，混凝土運輸車離開，在清洗位設置開關信號，其數量為通道數的2倍。

（3）與布料機等用料設備信息交互。主要包括布料機等用料設備就位后，混凝土運輸車停位準確并翻轉卸料，卸料完成后料斗回正并允許用料設備離開。需要在卸料點設置開關信號，其數量與卸料點數量相同。

4 應用情況分析

所研制的混凝土輸送系統首次應用于佛山某裝配式綠色建筑基地項目，該項目位于佛山市南海區里水鎮，年產PC構件12萬m3。包括一條墻板柔性自動化生產線、一條預留自動化生產線（預留車間）和一條固定模臺生產線，其布置如圖8所示。

圖8 佛山某裝配式綠色建筑基地項目工廠三維模型

混凝土輸送系統包括兩條行走通道和4個混凝土運輸小車（魚雷罐）及其控制系統，其中一條行走通道為直線通道，設有2個混凝土運輸小車和5個停位及控制點；另一條為“L”型通道，設有2個混凝土運輸小車和9個停位及控制點，如圖9所示。

圖9 混凝土輸送車自動化控制界面

混凝土輸送系統應用PLC可編程控制技術、PLC通訊技術、無線遙控技術和操作模式優先等技術，設置了在中控室（放置在攪拌站機房內）控制的自動控制系統、無線遙控控制和現地控制3種不同的控制方式。

佛山某裝配式綠色建筑基地項目的混凝土輸送系統具有多通道、多控制模式的特點，很好地保證了生產的連續性和穩定性。自2017年11月投入使用以來，運行穩定可靠，效果良好，達到預期目標。

5 結束語

（1）通過模塊化設計，可組合成不同形狀的行走通道，充分滿足不同用料點布置的需要，滿足了行走通道的個性化定制和不同生產線的用料需求，特別是結合無線遙控，解決了固定模臺生產線等柔性化生產方式的自動化接料、運料問題，避免了因叉車等無軌運輸方式所帶來的安全隱患。

（2）設置了自動化控制、無線遙控、和現地控制的新型混凝土輸送系統，解決了安裝使用的靈活性、生產的可靠性和穩定性等問題，提高了機械化率和生產效率。

（3）混凝土輸送系統應該根據年產量、生產線的布置、構件的方量等參數來進行設計。年產量決定了生產線的數量；生產線的數量決定了用料點的點數；生產線的布置決定了輸送通道的數量和形狀（如環形、“L”型、“C”型等）；構件的方量決定了運輸車料斗的容量。